航空发动机可靠性定性评价分析及预测方法研究

徐小芳 高雅娟

摘要：针对航空发动机试飞可靠性定量评价与指标要求存在偏离的现状，开展了可靠性定性评价分析及预测方法研究，提出多维度可靠性定性评价分析方法及可靠性分析预测方法，为全面系统掌握航空发动机的可靠性现状和趋势、摸清其可靠性底数范围提供了有效的方法途径，也可为后续航空发动机改进改型和研制时可靠性论证提供借鉴和参考，为推动我国航空发动机可靠性进一步提升提供技术支撑。

关键词：航空发动机；可靠性；定性评价；分析预测

Keywords：aero-engine；reliability；quantitative evaluation；analysis prediction

0 引言

可靠性评价是对产品的可靠性所达到的水平进行分析和确认的过程，包括定性评价和定量评价两个方面。其中，定量评价是利用收集的数据，采用预定的可靠性数学模型，计算出可靠性定量参数估值并与其指标要求对比后给出结论的过程；定性评价不采用数学的方法，而是根据对象的使用可靠性数据信息，通过观察、分析、归纳与描述等方法途径给出评价结论的过程。如果说定量评价关注“量”而走向抽象，那么，定性评价则关注“质”而走向具体，因此定性评价是更具有發展性评价的理念。本文针对航空发动机可靠性定量评价与指标要求有偏离的现状，开展可靠性定性评价分析及预测方法研究，以探究定量评价不达标的原因，分析存在的问题和薄弱环节，为全方位多角度掌握航空发动机的可靠性水平提供方法途径，为摸清可靠性底数提供技术支撑，以促进可靠性实现增长。

1 可靠性定性评价分析方法确定研究

关于可靠性定性评价分析的方法较多，如常用的归类分析法、趋势分析法、故障树分析法等。本文在继承现有成熟方法的基础上，注重评价分析中试飞数据的价值挖掘和融合应用。可靠性定性评价分析方法的确定应遵循以下原则：

1）能够从整体上把握存在的问题，提出实现可靠性增长的方向；

2）能够抓住可靠性关键信息故障进行分析研究；

3）能够开展个体的差异化研究，为整体方向落实提供具体化改进意见和建议；

4）能够综合考虑各方面相关因素，实现方法之间的互补，为找出可靠性薄弱环节并改进提供方法途径，达到多维度开展可靠性定性评价分析的目的。

根据以上可靠性定性评价方法确定原则，考虑工程上的方便性和可操作性，提出可靠性定性评价分析方法，实现多维度可靠性定性评价分析，具体方法及应用说明如表1所示。

2 可靠性定性评价分析方法应用研究

2.1 目标评价分析法

目前，可靠性定量评价参数为平均故障间隔时间（MTBF），其单侧置信下限MTBFL（单位h）评价模型如下：

其中，T是发动机累积工作时间，r是发动机累积责任故障数，α是选定的显著性水平。

根据飞行试验的特点，航空发动机试飞大纲预先规划了试飞科目、飞行时间/架次，飞行试验很大程度上可看作是定时截尾试验。因此，模型（1）中的分子是一个相对固定的数据，而分母随着责任故障数的增大而增大。可见，在试飞大纲设计完成后，减少责任故障数是实现可靠性增长的有效途径。同时，在试飞实施结束后，按模型（1）可估算出如要达到目标航空发动机最多可允许发生的责任故障数，为发动机可靠性增长指明方向。但事实上，故障数的减少必须通过故障分析和设计更改才能实现，往往是一个艰难曲折的过程，需投入大量人力和财力开展专题攻关研究和试验验证。需要注意的是，当航空发动机累计工作时间小于指标要求时，即使不发生故障也难以达到指标要求，这表明充分的试验也是保证可靠性评价的重要方面。

2.2 故障模式影响评价分析法

通过目标评价分析，认为减少责任故障是提高可靠性的有效方法途径，必须下大力气开展故障研究，以降低故障率，实现可靠性增长。要降低故障率，需研究试飞中出现了哪些故障，其影响包括哪些方面，这些故障能否通过设计改进减少或消除。故障模式影响分析法正是从故障入手分析其影响并提出减少故障发生的改进措施的一种方法。

故障模式是指故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度耗损等，而故障影响则是故障模式对产品的使用、功能或状态所导致的结果[1]。在工程实践中，按照GJB/Z 1391[2]中给出的软硬件故障模式（但不限于），对试飞中发生的每一故障进行标准化归类，并对每一故障模式的影响从进度、安全和任务三方面分析，以从总体上掌握故障模式和影响情况，为找出故障发生的规律、发现薄弱环节并采取有效的改进措施和补偿措施提供技术支持。

据统计，航空涡扇发动机的故障模式有20余种，发生频次较高的有泄漏、超出允许值、报故和喘振等，占总故障的50%以上，其故障改进率较低，尚不到自身发生故障的15%。在发生的故障模式中，影响任务、进度和安全的故障约占70%，其中对进度影响尤为严重[3]。因此，需对发生频次高及影响进度和安全的故障开展专题研究，以提高航空发动机的可靠性。

2.3 对比评价分析法

通过目标评价分析和故障模式影响分析，能整体上掌握航空发动机的可靠性水平，了解其发生的故障模式和影响。航空发动机个体可靠性如何？为此，开展航空发动机个体可靠性对比评价分析研究。

对比评价分析以不同参试航空发动机个体为研究对象，分别对其可靠性进行定量评价，分析个体差异及原因，并对标可靠性高的航空发动机，通过补短板，实现整体可靠性逐步提升。

基于试飞数据，统计分析了某型航空发动机的可靠性，发现其个体差异较大，最高和最低的可靠性相差数倍。建议借鉴美国提升涡扇发动机F100的经验和做法[3]，开展可靠性提升研究，促进我国航空发动机整体可靠性实现增长。

2.4 综合评价分析法

在研究航空发动机试飞特点的基础上，综合2种及以上适用的可靠性定性评价分析方法，得出航空发动机可靠性定性评价结论，包括：

1）可靠性整体水平定性描述；

2）故障模式及其影响分析归纳；

3）航空发动机可靠性个体差异及原因分析。

3 可靠性分析预测方法研究

随着新试验鉴定体系的推行，性能底数试验已成为状态鉴定的重要内容之一。可靠性作为装备性能不可或缺的组成部分，摸清其底数也是新形势下的鉴定需求。本文设想以试飞数据为基础，分析预测可靠性的底数范围，为航空发动机改进改型及其研制可靠性论证提供技术支持，为可靠性底数试验验证提供方法途径。

可靠性分析预测的思路是以故障为切入点，按照GJB/Z 77[4]中的故障分类方法，将试飞期间发生的故障分为A类和B类故障，其中A类故障因不能经济地降低其故障率而不进行改进，B类故障经技术、经济和进度等方面权衡可进行改进。B类故障有多种，每种故障改进措施的有效程度用改进有效性系数表征，具体取值可通过专家打分法确定。但专家打分法存在主观性，且组织实施有一定的难度。这里考虑到可操作性，利用工程实践经验估计整个B类故障的改进有效性系数d。依据国军标和相关文献[4，5]，d的范围一般为0.55～0.85，为了摸清可靠性底数，可在制定改进优化方案时，取改进有效性系数极限值为1。

假设试飞期间B类故障数为K，取最小改进有效性系数d1为0.55，其对应的改进故障数为0.55K，取整后表示为K1=[0.55K]，其他改进有效性系数及其改进有效的故障数由下式确定：

其中，j=2，3，…，直到改进有效性系数大于0.85且小于1为止。

至此，可以设计制定可靠性可能的改进优化方案，具体如表2所示。

根据以上改进优化方案，在以下假设下进行预测：按照“试验—暴露—改进—提升试验”模式，在改进后按原试飞大纲进行提升试验。期间A类故障的故障率不变，B类故障数按改进有效性系数相应减少，预测不同改进优化方案的可靠性结果，从而获取航空发动机可靠性的底数范围，为后续开展基于试飞数据的航空发动机可靠性论证提供技术支持。

以某型航空發动机状态鉴定某段试飞为例，期间发动机累计工作时间1432h50min，发生责任故障32起，阶段可靠性定量评价结果为38h。经分析确认，B类故障8起。可靠性改进优化方案及预测结果见表3。

由表3可以看出，B类故障以不同的方案改进后，预测的可靠性底数范围为[42.9，49.3]，提高率在10%与30%之间，表明该型航空发动机可靠性水平偏低，改进措施对可靠性提高贡献有限，也从一个侧面说明需加大可靠性提升研究和试验的人力、物力和财力投入，切实推动航空发动机可靠性增长。

4 结束语

航空发动机是装备系统的“心脏”，可靠性对其性能的发挥具有举足轻重的作用。本文开展了可靠性评价分析及预测方法探索性研究，期望在航空发动机改进改型等研制中，注重历史数据价值挖掘和融合应用，实现试飞为装备发展服务的目标，促进我国航空发动机可靠性得到令人满意的提升，为装备系统战斗力的形成贡献力量。

参考文献

[1] GJB451A可靠性维修性保障性术语 [S].中国人民解放军总装备部，2005.

[2] GJB/Z 1391故障模式、影响及危害性分析指南 [S].中国人民解放军总装备部，2006.

[3] 徐小芳，王守敏.某型航空发动机试飞可靠性分析与评估 [J].航空维修与工程，2018（4）：41-43.

[4] GJB/Z 77 可靠性增长管理手册 [S].国防科学技术工业委员会，1996.

[5] A W Benton，L H Crow，Integrated reliability growth testing [C]//1989 Proceedings Annual R & M Symposium.1989：160-166.

作者简介

徐小芳，研究员，主要研究方向为飞机“六性”评估技术。